[PDF] Module 5 Équilibre chimique Cahier de lélève

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Équilibre chimique Option Science CHIMIE

MAC 534

5-1 © Cahier de l'élève, théorie et exercices

option scienceChimie

Module 5

Bertrand Trottier

Option scienceChimie

Équilibre chimique

Cahier de l'élève

Équilibre chimique Option Science CHIMIE

MAC 534

5-2 © Cahier de l'élève, théorie et exercices

auteur :

Bertrand Trottier

conseiller scientifique :

Bernard Lasnier

conseillers(ères) linguistiques :

Marie Vézina

Bernard Lasnier

Tous droits de reproduction, d'u

tilisation, de traduction de quelque manière que ce soit en partie ou en totalité est défendu sans l'autorisation écrite de l'auteur. Le droit de reproduire et d'utiliser ce matériel est acheté pour une période d'un an seulement, pour un groupe précis d'élèves et ce droit doit être renouvelé par écrit à chaque année.

Dépôt légal - 2010

Bibliothèque nationale du Québec

Bibliothèque nationale du Canada

ISBN 978-2-9803068-4-6 (Édition complète DVD interactif)

Équilibre chimique Option Science CHIMIE

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Équilibre chimique

Table des matières

-Aspects macroscopiques de la matière ........................................................................

..... 5-4

-Caractéristiques de l'équilibre .................................................................................

......... 5-4

-DÉMONSTRATION 7 -Système "ouvert» , "fermé» ou chimiquement "isolé»...... 5-4

-DÉMONSTRATION 8 -Réaction "complete» et réaction "reversible» .................. 5-6

-EXPÉRIMENTATION 22 -Identification d'un état d'équilibre .............................. 5-9

-Exercices 5-1........................................................... ........................................................... 5-12

-Proportions stoéchiométriques d'un état d'équilibre ................................................... 5-14

-Exercices 5-2........................................................... ........................................................... 5-14

-Découverte du principe de Le Châtelier ........................................................

................... 5-16 -Principe de Le Châtelier ........................................... ........................................................ 5-20

-EXPÉRIMENTATION 23 -Vérification du principe de Le Châtelier ..................... 5-22

- Application du principe de Le Châtelier (Procédé industriel Haber) .............................. 5-25

-Exercices 5-3........................................................... ........................................................... 5-26

-Nature dynamique de l'équilibre (aspect microscopique de l'équilibre) ........................... 5-28

-EXPÉRIMENTATION 24 -Nature dynamique de l'équilibre ................................. 5-29

-Loi de l'équilibre chimique ou Loi d'action de masse ....................................................... 5-31

-Exercices 5-4........................................................... ........................................................... 5-33

-EXPÉRIMENTATION 25 -Constante d'équilibre .................................................... 5-37

-Retour sur la notion de pH ............................................ .................................................... 5-39 -Expression de la constante de dissociation de l'eau (K eau ) ................................................ 5-40 -Exercices 5-5........................................................... ........................................................... 5-41 -Neutralisation et calcul sur le titrage ........................................................ ......................... 5-43 -Exercices 5-6........................................................... ........................................................... 5-44 -EXPÉRIMENTATION 26 -Dosage du vinaigre et de l'aspirine ................................ 5-46 -Non-électrolyte et électrolyte .................................. ........................................................... 5-49

-Électrolyte FORT et électrolyte FAIBLE .......................................................

................... 5-50 -Exercices 5-7........................................................... ........................................................... 5-51 -Calcul du pH d'une solution acide ..................................................... ............................... 5-53 -DÉMONSTRATION 9 -Force des acides .......................... ....................................... 5-55 -Phénomènes où l'équilibre peut exister .............................................. ............................... 5-58

-Acide et base selon la théorie de Brfnsted-Lowry ..................................................

.......... 5-59 -Exercices 5-8........................................................... ........................................................... 5-60 -Autoévaluation ....................................................................... ..................................... 5-67

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-Aspects macroscopiques de la matière

1- Caractéristiques de l'équilibre

Distinction entre une propriété : "macroscopique» et "microscopique»

On entend par propriété macroscopique, une propriété observable à l'oeil nu ou mesurable par

un instrument. Ex. : Volume, pression, température, masse, quantité, couleur, etc.

On entend par propriété microscopique, une propriété inperceptible à l'oeil nu et non mesurable

par un instrument. Ex. : Rayon atomique, liaison chimique, collision moléculaire, vitesse des molécules, etc.

DÉMONSTRATION 7

Distinction entre un système "OUVERT», "FERMÉ» ou chimiquement "ISOLÉ»

BUT : Distinguer un système "OUVERT» d'un système "FERMÉ» ou chimiquement "ISOLÉ».

LISTE DU MATÉRIEL

-3 béchers de 250 mL -CuSO 4(s) -1 verre de montre -eau

PROTOCOLE Exemple d'un système "OUVERT»

On dépose un bécher contenant de l'eau sur la table de laboratoire. H 2 O (l) H 2 O (l) (Réaction complète, se fait dans une seule direction)

OBSERVATION

Par évaporation, les molécules d'eau quittent continuellement le bécher.

1- Crois-tu que la température de l'eau change avec le temps.

________

2- Que peux-tu dire de la propriété macroscopique (quantité d'eau) en fonction du temps ?

________

À partir de ces observations, on peut définir un système OUVERT comme étant un système

en réaction, qui permet un échange, un gain ou une perte de matière, avec son environnement.

eau à 25°C

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PROTOCOLE : Exemple d'un système "FERMÉ»

On dépose un bécher contenant de l'eau et recouvert d'un verre de montre sur la table de laboratoire. H 2 O (l) H 2 O (l) (Réaction réversible, se fait dans les deux sens)

OBSERVATION

Comme dans le premier cas, l'eau s'évapore continuellement. L'air au dessus de l'eau se sature de vapeur d'eau et le surplus se condense sur la parois froide du verre de montre et retombe sous forme de gouttelettes dans le bécher.

4- Crois-tu que la température de l'eau change avec le temps ?

5- Que peux-tu dire de la propriété macroscopique (quantité d'eau ) en fonction du temps ?

________ ________

6- Sachant qu'il y a continuellement évaporation et condensation de l'eau, explique pourquoi le niveau

de l'eau ne change pas. _____________________________________________________ _ ________

À partir de ces observations, on peut définir un système FERMÉ comme étant un système en

réaction, où il y a conservation de la matière, à température constante (ni gain ni perte de

matière avec son environnement). PROTOCOLE : Exemple d'un système chimiquement "ISOLÉ»

On dissout du CuSO

4(s) dans l'eau jusqu'à ce qu'il reste un dépôt solide au fond du bécher. CuSO 4(s) Cu

2+(aq)

+ SO

42-(aq)

(Réaction réversible)

OBSERVATION

Lorsqu'on dissout du CuSO

4(s) dans l'eau, celui-ci disparaît et, lorsque la solution devient saturée, le surplus de sel tombe au fond du bécher sous forme solide.

8- Crois-tu que la température d'une solution saturée change avec le temps ?

9- Que peux-tu dire de la dissolution et de la précipitation du solide au fond du bécher, lorsque la so-

lution est saturée ? ___________________________________________________________ 10- Identifie trois propriétés macroscopiques qui demeurent constantes dans ce système.

________

Préparer à l'avance pour être

certain de voir la goutte d'eau sous le verre de montre.

Fermé ou ouvert on a le même résultat.

Sur une courte période de temps, la

quantité d'eau perdue par évaporation est négligeable. eau à 25°C ou sel en solution à 25°

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11- Comme le solide se dissout et précipite continuellement, explique comment il se fait que la quan-

tité de celui-ci ne varie plus et que la concentration de la solution ne change plus, lorsque la solu-

tion est saturée :___________________________________________________ _______________ ________ Ceci peut se comparer à une personne qui descend un escalier roulant alors que celui-ci monte. Si la vitesse des deux est égale, la personne paraîtra immobile à un observateur.

12- Dans ce cas-ci :

-le système étudié se fait-il à l'intérieur ou à l'extérieur du liquide ? ________________________

-y-a-t-il perte de matière ? si oui, identifie la substance. _________________________________

-la substance perdue fait-elle partie du système étudié ? __________________________________

-y-a-t-il conservation de la matière du système étudié ? __________________________________

________ -Crois-tu que la présence d'un verre de montre, pour empêcher la perte d'eau, aura une grande influence sur la solubilité du sel dans l'eau ? Explique. _________________________________ _________

À partir de ces observations, on peut définir un système ISOLÉ comme un système où il y a

conservation de la matière étudiée, à l'intérieur d'un liquide, à température constante. Sur une

courte période de temps, la quantité d'eau perdue par évaporation est négligeable.

DÉMONSTRATION 8

Différence entre une réaction "COMPLÈTE» et une réaction "RÉVERSIBLE» BUT : Distinguer une réaction "COMPLÈTE» d'une réaction "RÉVERSIBLE».

LISTE DU MATÉRIEL

-2 béchers de 2 L -2 béchers de 100 mL -eau

PROTOCOLE

Simulation d'une réaction "COMPLÈTE»

On transvase le contenu du bécher A dans le bécher B à l'aide d'un bécher de 100 mL.

OBSERVATIONS

Supposant que le contenu du bécher A représente les réactifs et le contenu du bécher B, les pro-

duits, décrivons ce qui se passe du début jusqu'à la fin :

Au début, il n'y a que des réactifs et graduellement, tous les réactifs se transforment en pro-

duits

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1- Définis dans tes propres mots une réaction complète : ___________________________________

________

2- Dans une telle situation peut-on avoir un équilibre ? ____________

Cette situation ressemble à une personne qui se promène sur une plate-forme, centrée sur un

pivot.

3- Dans un système où la réaction est complète, y a-t-il possibilité d'atteindre un état d'équilibre ?

Explique. _____________________________________________________________ _________

PROTOCOLE :

Simulation d'une réaction" RÉVERSIBLE»

À l'aide de deux béchers de 100 mL, on transvase l'un dans l'autre, le contenu de chacun des gros béchers, en même temps. Au début le bécher A est plein et le bécher B est vide.

OBSERVATIONS :

Décrivons ce qui se passe du début à la fin :

Au début, la quantité des réactifs qui se transforment en produits est très grande. Au fur

et à mesure que les produits augmentent, le processus inverse s'accomplit de plus en plus rapidement. Après un certain temps, la quantité de réactifs et de produits transformés est égale et le niveau des liquides dans chaque bécher demeure constant. On a donc atteint un

équilibre dynamique.

4- Définis dans tes propres mots une réaction réversible : __________________________________

________ ________ ________

5- Dans une telle situation, peut-on avoir un équilibre ? ____________

Cette situation ressemble à celle de deux personnes ayant une même masse et marchant à la même

vitesse, l'une vers l'autre, sur une plate-forme centrée sur un pivot. La plate-forme reste conti-

nuellement en équilibre. Lorsque les deux personnes sont rendues au bout de la plate-forme, elles peuvent se retourner et recommencer leur marche l'une vers l'autre indéfiniment. Comme, sur la plate-forme, il y a tou- jours un mouvement égal et opposé des personnes, la plate-forme demeure stable et on dit que la plate-forme est en équilibre dynamique.

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Puisque dans une réaction réversible, à l'équilibre, il y a toujours un mouvement de molécules égal

et opposé (c'est-à-dire qu'à chaque fois qu'une quantité de réactifs est transformée en produits, au

même moment une même quantité de produits est transformée en réactifs), la concentration des

réactifs et des produits ne change plus. On est alors en présence d'un équilibre dynamique.

6- Énumère 4 conditions qui nous permettent de dire qu'un système est en équilibre.

_______ _______ _______ _______

2- Comment reconnaître un système en équilibre

Un des concepts les plus importants de la chimie est celui de l'équilibre. L'équilibre est l'état

dynamique dans lequel deux réactions chimiques réversibles se produisent simultanément à des

vitesses égales. Il est à noter que lorsqu'un système est en équilibre, ses propriétés macroscopiques

demeurent constantes et la quantité de matière et d'énergie ne varie plus. -Comment faire, pour reconnaître si un système est : a) OUVERT: Le système doit se fait à l'air libre, avec perte de matière. b) FERMÉ : Le système doit se produire dans un contenant fermé, sans perte de matière.

c) chimiquement ISOLÉ : Le système doit se faire à l'intérieur d'un liquide sans perte de matière du

système dissous dans le liquide. Il y a perte du solvant mais cette perte est négligeable dans un court laps de temps. C'est pourquoi il importe peu qu'un tel système s'effectue ouvert ou fermé. -Voici les quatre (4) conditions qui nous permettent de dire qu 'un système est en équilibre : -La température doit demeurer constante ; -La réaction doit être réversible ; -Les propriétés macroscopi ques doivent être constantes ; -Le système doit être fermé ou chimiquement isolé (aucune perte de matière)

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EXPÉRIMENTATION 22

Identification d'un état d'équilibre

BUT : Observer différents systèmes de manière à être capable d'identifier ceux qui sont "ouverts»,

"fermés», chimiquement "isolés» et en équilibre dynamique.quotesdbs_dbs46.pdfusesText_46

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